快速、机动、廉价、可靠的航天器发射技术是未来航天发射活动的发展趋势,空中发射技术正是满足这些特点的发射方式之一,它具有三方面的优势:(1)无需依赖大型的发射基地设施,载机利用普通机场实现起降,在战争条件下具有更强的生存能力;(2)载机相当于一级运载器,可重复利用,而且相比于一级火箭,飞机在20公里高度以下具有很高的气动效率,因此,大幅度降低了发射成本;(3)载机携带航天器可自由地“追逐”发射窗口,提高了发射的灵活性和机动性。然而,在空中发射过程中,飞机和外挂物的分离过程是最重要并且危险的环节,外挂物的轨迹和飞行姿态需要良好的控制,以确保空中发射的成功进行。在传统的空中分离过程模拟中,都不考虑载机在分离期间的机翼弹性运动,由于未来发射的重量越来越大,载机的机翼展弦比越来越大,在分离瞬间的载荷冲击下,载机的机翼弹性运动是一个不容忽视的因素,本文就是围绕这个过程中的动力学问题开展研究,其主要工作如下:1、发展了适用于考虑载机弹性变形运动的外挂物分离过程模拟的CFD/CSD/RBD(CFD:Computational Fluid Dynamics,CSD:Computational Structure Dynamics,RBD:Rigid Body Dynamics)多学科耦合计算方法。该方法基于课题组原有的流固耦合模拟平台,通过添加CFD/CSD/RBD耦合求解模块,实现了弹性体飞行器分离过程中飞行动力学的时域仿真功能,为后续研究提供了技术支持。2、使用CFD/CSD/RBD耦合计算方法,对考虑载机弹性变形的外挂物分离问题进行数值求解,研究载机弹性变形对外挂物动力学响应的影响。研究发现,在机翼动气动弹性变形的影响下,外挂物的刚体运动频率和气动力幅值均有显著的变化。在此基础上,本文研究了外挂物挂载点位置、载机机翼刚度、投放时刻的动压、外挂物翼载荷等参数的影响,并对外挂物动力学响应进行了定性分析。3、运用干扰气动力分解方法,揭示了外挂物干扰气动力各种影响的机理。依据干扰气动力形成因素的不同,将外挂物干扰气动力分解为不同组分,分别运用使用CFD方法、CFD/RBD耦合求解方法、CFD/CSD耦合求解方法及CFD/CSD/RBD耦合计算方法,分离出各组分的干扰气动力,并对各组分气动力相对大小、变化趋势、作用范围及作用机制进行分析,为建立外挂物干扰气动力模型提供理论支持。研究发现:(1)在相对距离较小时,载机弹性动态变形引起的外挂物干扰气动力峰值能占到其总气动力的一半左右,因此,载机机翼的弹性变形在外挂物投放的工程应用中是不可忽视的影响因素;(2)随着相对距离的增加,干扰气动力降低,因载机引起的外挂物干扰气动力的作用范围约为2倍载机平均气动弦长。4、将模糊逻辑方法应用于刚体飞行器非线性气动力建模中,将非定常气动力模型(Unsteady Aerodynamic Model,UAM)同飞行器刚体动力学方程(RBD)耦合,在时域内对UAM/RBD进行耦合求解。研究发现:模糊逻辑模型建模过程的人为干预较小,能够对非线性方程进行较好地建模,且相比于刚体飞行器气动力的线性叠加模型,模糊逻辑模型具有明显的优势,尤其是在处理偏航、滚转等横航向自由度动力学问题时更具兼容性。5、通过使用不同方法,对各组分的气动力分别建模,进而整合得到考虑弹性载机干扰的外挂物气动力模型。将该模型同载机结构动力学方程和外挂物刚体动力学方程耦合,针对弹性载机影响下的外挂物动力学问题,在时域内建立基于气动力模型的飞行器动力学仿真平台。经过验证,本文所发展的纵向UAM/CSD/RBD耦合方法及单一滚转自由度UAM/CSD/RBD耦合方法具有较高的计算精度,在工程研究方面具有一定的应用潜力。6、本文发展了多时间尺度的CFD/CSD/RBD耦合求解方法。该方法将基于CFD的弹性体飞行器非定常气动力降阶模型引入CFD/CSD/RBD耦合求解系统,采用多时间尺度的方法设置物理时间步长。使用CFD/RBD耦合求解的方法计算流场及刚体动力学响应,其时间步长根据刚体模态频率选取;使用UAM/CSD的方法计算弹性变形,冻结流场信息及刚体飞行器的位移和姿态角,时间步长依据弹性体最高阶模态频率选取。经过验证,该方法具有较高的计算精度,同时,相比于直接CFD/CSD/RBD耦合求解方法,计算周期可以降低一个量级。